为了解决在基于金刚石氮-空位（NV）色心的磁场高灵敏度测量中, 高速获取磁场信号引起的NV色心发光强度的微小变化的技术瓶颈问题, 自行设计出一套能够实现金刚石NV色心自发辐射和受激辐射信号同步测量的光学系统, 并利用一个长焦距透镜收集金刚石NV色心受激辐射信号, 从而尽最大可能地滤除金刚石NV色心的自发辐射信号, 提高测量受激放大增益的信噪比。实验中成功观察到NV色心零声子线的受激辐射放大, 分析了抽运光功率、信号光功率、抽运光偏振方向和信号光偏振方向对放大特性的影响。结果表明, 通过对抽运光和信号光相关参量的优化调整, 最终获得了10.5%的受激辐射增益。该研究为实现NV光放大远程磁场监测奠定了研究基础。

铅卤钙钛矿结构具有吸光系数大、发光量子产率高、带隙可调及发射峰窄的特点, 在太阳能电池、发光二极管及受激辐射等领域的研究备受关注。本文介绍了铅卤钙钛矿作为增益介质的受激辐射研究进展, 对已报道的纳米晶、微米晶及薄膜的受激辐射性能进行了比较, 讨论了晶体维度、泵浦条件等对受激辐射的阈值、模式的影响。针对激光器件小型化以及芯片光互联、超灵敏检测等发展趋势和需求, 对该领域的机遇与挑战进行了展望。

比较了基于光激发-光抑制(SPIN)和受激辐射损耗(STED)的两种双光束超分辨数据写入技术的机理,为基于STED的超分辨数据写入技术建立了动态物理模型,研究其光致聚合过程中的工作机制,并模拟了基于SPIN和STED的双光束超分辨数据写入技术在记录点尺寸和分辨率方面的差异。结果表明:基于STED的双光束超分辨数据写入技术具有无需抑制剂、原理简单的优势,但其需要第二束辅助光的强度较大且对聚合作用的抑制效率低,在多点写入情况下点的尺寸变大,记录均匀性变差。基于SPIN的双光束超分辨数据写入技术所需能量小,多点记录时引发剂分子消耗将抵消抑制剂分子消耗带来的影响,整体均匀性和稳定性好。因此基于SPIN的双光束超分辨数据写入技术在超高密度存储领域应用前景更好。

基于激发－探测显微技术研究受激增益与自发衰减现象。采用脉冲二极管激光器(λpu=635 nm作为激发光束)与锁模掺钛蓝宝石激光器(λpr=780 nm作为探测光束)。受激增益部分, 发射光束在频率f1被调制, 利用光电二极管作为探测器(PDA 36A, Thorlabs), 探测光被相应地解调来提取透射方向的信号; 自发损耗部分, 探测光束在频率f2被调制, 从探测荧光由光电倍增管以反射模式解调自发损耗信号。所有情形下使用高性能锁模放大器(HF2LI, Zurich Instruments)。锁模放大器的输出信号接着输入扫描单元的A/D通道用于图像重构。扫描速率设为频率500 Hz,与锁模放大器1.99 ms的时间常数相匹配。由解调荧光信号获取背景大大减少的荧光寿命和光学部分属于散粒噪声的图像。另外, 此技术改善信噪比, 提高类似多光子显微镜的穿透深度, 无须昂贵的飞秒激光器。

随着纳米技术的不断发展，各行业领域对纳米尺寸结构的加工需求与日剧增，激光直写加工技术作为一项重要的三维微纳结构加工手段，在多个现代科学技术领域得到了广泛应用。针对三维微纳结构制备，双光束超分辨激光加工技术，结合双光子聚合(TPP)过程与受激发射损耗(STED)纳米显微技术的原理，实现了超光学衍射极限的加工分辨率，为三维纳米结构加工技术及其应用提供了新的发展方向。本文将阐述基于双光束超分辨激光加工技术超光学衍射极限的基本原理，并回顾该技术在改善加工线宽及分辨率等方面的研究进展，以及在相关领域中的应用。最后就如何实现低成本、高效率、大面积、多功能性材料加工存在的挑战和未来发展方向进行了讨论。

受激发射损耗显微技术(STED)作为一种远场超分辨显微成像技术, 具有几十纳米甚至几纳米的空间分辨率, 是细胞生物学等研究领域的重要成像工具。圆环形空心损耗光在物镜焦点附近的光场强度分布对STED空间分辨率起决定性作用。在高数值孔径物镜聚焦下, 光场的偏振态会对聚焦光场的强度分布产生显著的影响, 此外, 显微系统的轴外像差会严重破坏空心损耗光焦斑的中心对称性。基于矢量衍射理论, 理论模拟了在高数值孔径物镜聚焦条件下, 入射涡旋光的偏振态和光学系统中的彗差和像散对空心损耗光焦场强度分布的影响。实验上使用纯相位型空间光调制器来校准光学系统相差, 优化变形的损耗光, 利用纳米探针扫描焦点区域, 测量了其焦场强度分布。测量结果与由矢量稍微理论观测的结果一致。

由于受激元素所辐射的γ光子能量范围主要集中在100 keV~6 MeV之间, 因此通过基于此能量范围的γ射线源模拟实验研究了采用锗酸铋(BGO)阵列相邻信号叠加实现能量高分辨率的新方法并分析比较了其性能。结果显示：对于较高能的γ光子, 若仅使用单根BGO晶体产生的信号时不可能得到较好的能量分辨率；而当使用BGO阵列将该单晶体产生的信号与相邻晶体产生信号相加, 则能谱质量会变得更佳。对于能量分辨率为90 keV的能量窗, 通过模拟得到平均固有空间分辨率为3.938 mm (FWHM)。

基于蒙特卡罗光线追迹法，进一步研究了钕玻璃片状放大器三维空间聚光腔抽运分布的数值模拟。并且，结合氙灯的充放电回路及辐射光谱、放大自发辐射、以及激光脉冲受激辐射放大等相关数值计算模块，实现了片状钕玻璃放大器由储能至放大的整个过程的动态数值仿真。基于该数值模拟结果，设计研制的钕玻璃片状放大器已用于5 PW钛宝石啁啾脉冲放大器的抽运源中，其实验输出结果与数值计算结果基本一致。

基于表面等离激元受激辐射放大（SPASER）机制，提出了一种硅-金-硅三层核壳偏心纳米天线，并利用有限元法分析了其多波长散射特性.结果表明：在SPASER机制下，该纳米天线产生极大的散射光强度，且工作波长的数目随着硅核偏心率的增加而增加；当硅核的偏心率为9 nm 时，该纳米天线有4个共振峰，分别位于615 nm、 656 nm、724 nm 、847 nm，其对应的散射强度比非SPASER机制的纳米天线的散射强度高104倍；该纳米天线的散射波长还可以通过改变入射光的偏振角调节.基于SPASER机制的纳米天线对于设计多波长纳米激光器具有指导意义.